Регуляторні протеїни мають спеціальні днк-зв’язуючі домени

Зазвичай регуляторні протеїни приєднуються до специфічних ділянок ДНК. Їх спорідненість до таких послідовностей є від 10⁴ до 10⁶ разів вищою, аніж спорідненість до інших ділянок ДНК. У більшості регуляторних протеїнів наявні спеціальні ДНК-зв’язуючі домени, що містять підструктури, які близько і специфічно взаємодіють із ДНК. Такі зв’язуючі домени зазвичай містять одну або декілька відносно невеликих характерних груп і здатних до легкої ідентифікації структурних мотивів.

Для приєднання до специфічних ділянок, регуляторні протеїни повинні розпізнавати поверхневі особливості цієї ДНК. Більшість із хімічних груп, які відрізняються серед чотирьох основ і таким чином дозволяють розпізнавання між парами основ і групами донорів і акцепторів водневих зв’язків доступні в великій виямці ДНК (Рисунок 28-8), а більшість із взаємодій між ДНК і протеїнами, що придають їм специфічності - це водневі зв’язки. Важливим винятком є неполярна поверхня поблизу вуглеця в положенні С-5 піримідинів, де тимін легко вирізняється від цитозину своєю виступаючою метильною групою.

Рисунок 28-8

Групи в ДНК доступні для зв’язування з протеїнами.

Тут представлені функціональні групи всіх чотирьох основ у великій і малій виямках ДНК. Групи, які можуть використовуватися для виявлення специфічного парування основ протеїнами зображено червоним кольором.

Підписи: Ізопропілтіогалактозид; Велика виямка; Мала виямка; Аденін=Тимін; Гуанін=Цитозин; Аденін=Тимін; Гуанін=Цитозин

Рисунок 28-9

Два приклади випадків особливої взаємодії між залишками амінокислот і основ, виявлені у випадках зв’язування ДНК із протеїнами.

Підписи: Глутамін (чи Аспарагін); Аргінін; Тимін=Аденін; Цитозин=Гуанін

Контакт ДНК із протеїном також може відбуватися і в малій виямці ДНК, хоча природа водневих зв’язків у цьому випадку не дозволяє легко вирізняти пари відповідних основ.

Всередині регуляторних протеїнів боковий ланцюг амінокислот Асп, Глу, Глн, Ліз і Арг найчастіше приєднується до ДНК із допомогою водневих зв’язків. Чи існує простий розпізнавальний код при якому визначені амінокислоти паруються із відповідними основами? Два подвійні водневі зв’язки, які здатні формуватися між Глн і Асп і атомами азоту в положення N⁶,N⁷ аденіну не можуть формуватися із ніякими іншими основами. Крім того, Арг залишок здатний утворювати два водневі зв’язки із N⁷ і O⁶ гуаніну (Рисунок 28-9). Вивчення структури багатьох ДНК-зв’язуючих протеїнів показало, що протеїн здатний розпізнавати кожну основу не за лише одним параметром, таким чином підводячи до висновку, що не існує простого коду приєднання залишків амінокислот до відповідних основ.

Для деяких протеїнів взаємодія Глн-аденін може визначати пари А=Т, а у інших парування А=Т може розпізнаватися завдяки Ван дер Вальсівській кишені для метильної групи тиміну. Досьогодні дослідники ще не достатньо вивчили структури ДНК-зв’язуючих протеїнів і природу їх приєднання до ДНК. Для взаємодії із ділянкою великої виямки ДНК протеїн повинен мати відносно невелику структуру, яка б виступала над його поверхнею. ДНК-зв’язуючі домени регуляторних протеїнів не є великими (від 60 до 90 амінокислотних залишків), а структурні мотиви всередині цих доменів, які насправді контактують із ДНК є навіть ще меншими. Багато із малих протеїнів є нестабільними через їх обмежені можливості формування структурних шарів здатних ховати їх гідрофобні групи (с.118). ДНК-зв’язуючий мотив забезпечує або дуже компактну стабільну структуру, або ж формування ділянки протеїна, яка виступатиме над поверхнею протеїну.

ДНК-зв’язуючими сайтами для регуляторних протеїнів часто можуть бути обернені короткі ділянки ДНК (паліндроми) до яких кооперативно приєднується дві (або більше) субодиниці регуляторних протеїнів. Lac репресор поводить себе незвично у тому, що він функціонує як тетрамер із двома тісно приєднаними димерами на відстані від місць зв’язування із ДНК (Рис.28-7б). Зазвичай E.Coli має 20 тетрамерів Lac репресора. Кожен із пари зв’язаних димерів окремо приєднується до паліндомної послідовності оператора до 17-ти або 22-х пар нуклеотидної послідовності lac оперону (Рис.28-10). Також, кожен із тісно зв’язаних димерів здатний незалежно приєднуватися до послідовності оператора при тому, що зазвичай один приєднується до ділянки O₁, а інший до ділянки О₂ або О₃ (як на Рис. 28-7б). Симетрія ділянки оператора O₁ відповідає здвоєній симетрії двох паралельних субодиниць Lac репресора. Тетрамерний Lac репресор приєднуєтсья до своєї операторної послідовності в умовах in vivo із константою дисоціації близько 10^-10М. Репресор відрізняє послідовності оператора від інших послідовностей ДНК із вибірковістю у 10⁶, що означає приєднання до цих пар основ ДНК із близько 4.6 мільйона пар хромосоми E.Coli є високоспецифічним.

Дотепер описано декілька ДНК-зв’язуючих мотивів, але ми сфокусуємо нашу увагу лише на двох, які відіграють дуже важливу роль в приєднанні регуляторних протеїнів до ДНК: гелікс-поворот-гелікс і цинковий палець. Ми також розглянемо тип ДНК-зв’язуючих доменів - гомеодоменів знайдених в деяких протеїнах еукаріот.